Разработка эффективных способов подготовки (стр. 3 )

С помощью бульдозера сооружают водоподпорную дамбу перпендикулярно водосбросной трубе, таким образом, чтобы вентиль и водосливной патрубок были расположены со стороны сухого откоса дамбы, после чего оттаиваемый участок заливают слоем воды (слой воды может достигать 10 м, в зависимости от высоты водоподпорной дамбы). При этом обеспечивают самотечное движение воды (приток в скважины воды, подогретой за счет солнечной энергии и отток охлажденной воды из забоев скважин), которое происходит за счет сил гравитации – давления, создаваемого перепадом уровней воды на подтопляемом участке и на выходе охлажденной воды из водосливного патрубка. Необходимый расход воды-теплоносителя по магистральному трубопроводу от 0,5 до 2,5 м3/ч, обеспечивающий интенсивное оттаивание мерзлого массива, регулируется с помощью вентиля.

Для повышения эффекта оттаивания в мерзлом массиве горных пород создают камуфлетные полости, фильтрационные каналы и сеть трещин различного рода путем взрывания в скважинах камуфлетных зарядов ВВ или электрогидроразрывом пласта. Камуфлетное взрывание или электрогидроразрыв пласта производят перед установкой водозаборных патрубков. Повышение скорости гидравлического оттаивания мерзлых пород достигается также путем изменения ламинарного потока движения воды в скважинах на турбулентный путем создания вихревых потоков воды вдоль водозаборных патрубков. Турбулентный поток воды в скважинах создают с помощью металлических пластин, которые приваривают к водозаборным патрубкам под углом 30…450 по направлению движения воды в скважинах.

Затраты энергии на нагревание и оттаивание всего участка мерзлых пород (Qобщ, кДж) составляют

(5)

где S – площадь участка оттайки, м2; Hот – глубина оттаивания, м; – количество энергии, затрачиваемое на нагревание 1м3 мерзлых пород до температуры талых пород tт , кДж/м3

(6)

где сп – удельная теплоемкость пород, кДж/(кг. оС); rп, rл – соответственно плотность пород и льда, кг/м3; G – льдистость горных пород, кг/м3; tт, tм – соответственно температура талых и мерзлых пород, оC; – количество энергии, необходимое для оттаивания 1м3 мерзлых пород, кДж/м3

(7)

где сл, св – соответственно удельная теплоемкость льда и воды, кДж/(кг. оС); L – скрытая теплота плавления льда, равная 334 кДж/кг.

Общее время оттаивания мерзлых пород затопленного участка (τ, сут) находится в прямопропорциональной зависимости от общих затрат тепла на оттаивание и обратнопропорционально температуре, расходу и боковой теплоотдаче фильтрационного потока подогретой за счет солнечной радиации воды

(8)

где rв – плотность воды, кг/м3; W – суммарный расход воды, необходимый для оттаивания мерзлого массива, его величина зависит от действующего напора (разности уровней воды в водоеме и на выходе из водосливного патрубка), длины магистральных трубопроводов и водозаборных патрубков, местных сопротивлений и диаметра трубы, м3/ч; Кб – средний коэффициент относительной боковой теплоотдачи воды фильтрационного потока в талике цилиндрической формы, рассчитывается через критерий теплового подобия Фурье, в приближенных расчетах Кб = 0,4…0,5; tв – температура воды на затопленном участке, оС.

При заданном расходе воды (Q, м3/с) самотечного магистрального трубопровода диаметр труб (d, м) можно определить по формуле

(9)

где υ – средняя скорость движения воды в трубопроводе, υ = 0,7…1,5 м/с.

Уменьшение диаметра труб приводит к большим потерям действующего напора. Наиболее выгодный диаметр соответствует скорости течения воды равной 1 м/с, т. е. диаметру, определяемому по формуле

(10)

Отличительной чертой предлагаемого гидравлического способа оттаивания является обеспечение непрерывного естественного (создаваемого силами гравитации) движения воды в скважинах, позволяющее за счет многократно возросшего кондуктивно-конвективного теплообмена обеспечить фазовый переход горных пород из мерзлого состояния в талое.

Результаты сравнительного анализа технико-экономиче­ских показателей известных способов оттаивания показывают, что предлагаемый гидравлический способ оттайки сезонно - и многолетнемерзлых пород, обладая высокой интенсивностью оттаивания (скорость оттаивания мерзлого массива равнозначна скорости фильтрационно-иглового оттаивания), позволяет производить подготовку к выемке мерзлых суглинистых пород с коэффициентом фильтрации менее 50 м/сут в более сжатые сроки и требует минимальных материальных и энергетических затрат на его осуществление. При этом скорость оттаивания мерзлых суглинистых, супесчаных пород увеличивается до 10…20 м/сезон, сроки подготовки дражных полигонов сокращаются в 1,5…2,5 раза по сравнению с фильтрационно-дренаж­ным оттаиванием.

Существенно на 25…40 % уменьшается энергоемкость процесса оттаивания мерзлых горных пород по сравнению с фильтрационно-игло­вым способом. Кроме того за счет исключения затрат на приобретение, эксплуа­тацию, обслуживание насосных станций и потребляемую электроэнергию в 1,5…2 раза снижается себестоимость оттаивания мерзлых пород, в 3…6 раз – трудоемкость работ.

Новизна гидравлического способа оттаивания в сочетании с тепловыми ваннами подтверждены патентом Российской Федерации № 000.

Таким образом, обосновывается второе научное положение:

Создание на дневной поверхности тепло­вых ванн с активацией теплообмена в придонном слое соляного сол­нечного бас­сейна и обеспечение конвек­тивно-кондуктивной передачи солнечной энергии вглубь мерзлого мас­сива за счет естественного движения теплоноси­теля по скважи­нам повышает эффективность солнечно-радиацион­ного от­таи­вания мерзлых россыпей в два-три раза.

Наиболее простым по исполнению является фильтрационно-дренаж­ный способ оттаивания (ФДО) мерзлых пород с канавным питанием. Од­нако применение данного способа ограничено из-за малой эффективности. Для устране­ния этого недостатка нами предложено его усовершенствование за счет создания под оросительными канавами на глубине 3-4 м фильтра­ционных каналов. При этом выпол­нены теоретические и экс­перименталь­ные исследо­вания.

Этот вариант ФДО в дальнейшем получил название взры­во­гид­рав­ли­че­ского фильтрационно-дре­нажного способа оттаи­вания мерз­лых гор­ных по­род (ВГФДО), представ­ляющего собой комбинацию двух способов (рис. 6) – ФДО в комбинации с известным взрыво­гид­рав­лическим, кото­рый впер­вые был испытан на при­иске Колымы в 1976 году. Способ оттаивания мерзлых горных пород (ВГФДО) предусматри­вает ис­поль­зование комбинированного механизма кондук­тивно-конвектив­ного пе­реноса тепла, аккумулированного в тепло­носителе без применения искус­ственных источников энергии.

При этом в мас­сиве горных пород искусст­венно создаются фильтра­ционные каналы и зоны проницаемости путем камуфлетного взры­вания зарядов ВВ линейного ряда скважин, а на дневной поверхности проходятся канавы: питающая, оросительные и дренажная.

Рис. 6. Схема взрывогидравлического фильтрационно-дренажного способа оттаивания мерзлых горных пород:

1 – питающая канава, продольный уклон i = 0,008; 2 – подогретая солнечной энергией вода; 3 – взрывные скважины; 4 – дренажная канава; 5 – оросительные канавы; 6 – заряд ВВ, q = (7-11) кг; 7 – профильтрованная и охлажденная вода; 8 – питающая скважина; 9 – зона фильтрации; 10 – коренные породы; 11 – камуфлетные полости

Часть воды со стороны поверхности к оттаиваемому массиву мерзлых пород поступает по схеме фильтраци­онно-дренажного способа оттаивания – через питающую и оросительные канавы, а другая часть воды подается непо­средственно вглубь мерзлого массива через скважины и фильтрацион­ные каналы, что позволяет ускорить процесс оттаивания мерзлых горных пород (рис. 7).

Рис. 7. Схема создания зоны фильтра­ции

в мерзлом массиве горных пород:

а – расстояние между взрывными скважинами в ряду, м; R1 – радиус фильтрационного канала, м; Rк – радиус камуфлетной полости, м; Rп – радиус зоны проницаемости, м; 1 – взрывные скважины; 2 – камуфлетные полости; 3 – зона проницаемости; 4 – оросительные канавы; 5 – зона фильтрационно-дренажного оттаивания; 6 – зона взрывогидравлического оттаивания; 7 – водонепроницаемые породы

Расчет параметров ВГФДО проводят по следующей схеме. Расстоя­ние между рядами скважин (b, м) зависит от размеров зоны оттаива­ния вокруг фильтрационного канала (2.R2), определяемой уравне­нием теп­лового баланса

(11)

где R2 – радиус зоны взрыво­гидравлического оттаивания, м.

(12)

где R1 – радиус фильтрационного канала, м; Кф – коэффициент фильтра­ции пород в канале, м/сут; tв – темпе­ратура воды, оС; Св – теплоемкость воды, Дж/(м3.оC); τ – время оттаивания пород в зоне (R2 – R1), сут; Кисп = (tвх – tвых)/(tвх – tо) – коэффициент тепло­отдачи фильтрационного потока; tвх, tвых – температу­ра воды, соответст­венно на входе и выходе фильтрацион­ного потока, оС; tо – температура фазового перехода, оС; lк – длина фильтрацион­ного канала, м; Qф – теплота фазового перехода, Дж/(м3.оС).

Время оттаива­ния пород (τо, сут) в зоне проницаемости вокруг фильт­ра­ционного канала в основ­ном зависит от трещиноватости пород, темпера­туры воды и определя­ется из уравнения теп­лового баланса

(13)

Радиус фильтрационного канала (R1) зависит от параметров камуфлетного взрывания и находится из геометрических соотношений

(14)

где а – расстояние между скважинами в ряду, м; Rп – радиус зоны проницаемости, м.

Для определения размеров зоны проницаемости воспользуемся моделью грунта при камуфлетном взрыве в скважине, предложенной . Принимая границу раздела упругой и пластической зон предельной границей зоны проницаемости, определим (Rп) по формуле, полученной из аналитического решения указанной модели при модуле объемного сжатия – Ксж = 0,1 Е (здесь Е – модуль упругости),

(15)

где Rк – радиус камуфлетной полости, м; х = t / Е; t – максимальные касательные напряжения.

Радиус камуфлетной полости определяется по формуле

(16)

где ; ρвв – начальная плот­ность ВВ (в пересчете на объем 1 пог. м скважины), кг/м3; εвв – массовая плотность энергии заряда (для аммонита ε = 4,187×106 Дж/кг); R0 – радиус скважины, м.

Расчеты показывают, что в пределах вероятных колебаний упру­гих и прочностных свойств мерзлых пород россыпных месторождений Rп = (20…40)Rк, а Rк≤(3,7…5,6)Rо. Взрывогидравлическим способом в массиве возможно создание неоднородных фильтрационных каналов с размерами Rп = (74…224)Rо. Так, при Ro = 100 мм, Rп = (7…22) м.

Однако, эф­фективный радиус зоны проницаемости, в пределах кото­рой возможна фильтрация воды по образо­вавшимся трещинам, весьма не­зна­чи­телен и не пре­вышает 5Rк. Относительный радиус оттаивания (R2/R1) зависит от времени и гидравлической проводимости (Кф/lк) фильтрацион­ного канала. Расстоя­ние между рядами скважин при продолжительности оттаивания в 100 суток не превышает 16R1 (рис. 8).

Рис. 8. Зависимость относительного

радиуса оттаивания пород (R2/R1) от времени (τ) и гидравлической проводимости фильтрационного канала Кф/lк:

1 – Кф/lк= 3; 2 – Кф/lк= 4; 3 – Кф/lк= 5;

4 – Кф/lк= 10; 5 – Кф/lк= 15; 6 – Кф/lк= 20;

7 – Кф/lк= 50

При среднем расстоянии между скважинами в ряду а = 3,5 м, обес­печивающим R1 = 1 м, допустимое расстояние между рядами скважин 2R2 ≤ (12…16 м), при льди­стости пород 250 кг/м3.

Оттаивание мерзлого массива происходит в радиальном направлении от оси фильтрационного канала и сверху вниз от питающей и оросительных канав. Поэтому глубина оттаивания при ВГФДО определяется по формуле

(17)

где hФДО – прирост глубины оттайки фильтрационно-дренажным способом за время (t), м.

Применение способа ВГФДО мерзлого массива в сложных горно-гео­логи­че­ских условиях позволяет за два месяца с 15 апреля по 15 июня отта­ять мерзлые горные породы на глубину до 7,0 м, что, в самом деле, сопоста­вимо с гидроигловым и послойным оттаиванием.

В 1980 г. взрывогид­рав­ли­ческий способ от­таи­вания мерзлых горных пород в комбинации с фильтра­ционно-дренаж­ным оттаиванием (ВГФДО) был внедрен в сложных горно-геологических условиях на дражном поли­гоне драги № 000. Производствен­ные испытания подтвердили высокую эф­фективность совместного действия кондуктивного и конвективного пере­носа солнечной энергии.

Впоследствии способ ВГФДО был нами усовершенствован путем установки соляных солнечных нагревателей в питающей канаве для подог­рева воды и ускорения процесса оттаивания пород (патент Российской Фе­дерации № 000), а также путем создания трещин и зон проницае­мости в мерзлом мас­сиве син­хронно-импульсным электро­гидроразрывом пласта.

За счет создания в массиве трещин электрогидрораз­рыва и действую­щих через них многоуровневых фильтрационных потоков воды-теплоноси­теля скорость оттаивания многократно возрастает.

Количе­ство трещин электро­гидроразрыва и глубину их расположения определяют рас­четом исходя из времени на оттаивание участка согласно разработанной нами методике.

Динамика оттаивания мерзлых горных пород в течение летнего сезона с применением различных способов приведена на рис. 9.

Рис. 9. Динамика оттаивания мерзлых горных пород:

1, 2, 3, 4 – способы оттаивания, со­ответственно: солнечно-радиацион­- ный (СРО); фильтра­ционно-дренаж­ный (ФДО); син­хронно-импульс­ный электрогид­роразрыв­ной (ЭГРП); взры­во­гид­равли­че­ский фильтрационно-дренаж­ный (ВГФДО)

В процессе дальнейшего совершенствования технологии оттаивания сезонной и многолетней мерзлоты, основанной на более полном использовании естественного источника тепла – солнечной энергии для повышения эффективности дражных и гидромеханизированных разработок золотоносных россыпей Забайкалья и Приамурья, в 1979…1982 гг. были проведены испытания и внедрение другого варианта кондуктивно-конвективного оттаивания мерзлых горных пород, при котором теплоноситель вводят в оттаиваемый массив путем периодического рыхления поверхности механическими рыхлителями, соединяя питающую и дренажную канавы бороздовыми оросителями, что позволило повысить эффективность ФДО в 1,5-2 раза.

Проведенная оптимизация параметров данного способа позволила определить закономерности изменения себестоимости оттаивания в зависимости от длины бороздовых оросителей и расстояния между ними.

Сравнительный анализ результатов оттаивания мерзлых пород различными способами показывает, что в сложных горно-геологиче­ских условиях применение взрывогидравлического фильт­ра­ци­он­но-дренажного и синхронно-импульсного электрогидроразрывного способов оттаивания является целесообразным (табл. 5).

Таблица 5

Технико-экономические показатели способов оттаивания мерзлых пород

Способ оттаивания мерзлых пород	Скорость оттаивания, м/год	Трудоемкость, чел. ч/1000 м3	Энерго- емкость, кВт-ч/м3	Относительная себестоимость
Солнечно-радиационный: -естественный (СРО); -соляной-солнечный бассейн (ССБ); -с послойным удалением оттаявшего слоя	0,5…3,0 5,0…15,0 5,0…20,0	0,5…1,0 2,5…5,0 10,0…25,0	- 0,2…0,3 0,8…1,0	1 1,5…2,5 2,0…4,0
Гидравлический: -фильтрационно-игловой -с тепловыми ваннами -ЭГРП (электрогидроразрыв пласта)	5,0-20,0 5,0-20,0 5,0-20,0	15,0-60,0 5,0-10,0 25,0-60,0	3,0- 4,0 2,0-2,5 4,0-5,0	5,0-10,0 3,0-5,0 10,0-15,0
Фильтрационно-дренажный ФДО): - без рыхления; - с механическим рыхлением; -с использованием соляных солнечных нагревателей в траншеях - взрывогидравлический (ВГФДО)	3,0- 6,0 4,0- 8,0 6,0-8,0 6,0-12,0	5,0-10,0 6,0-12,0 5,0-12,0 10,0-25,0	2,0- 2.5 3,0- 4,0 0,8- 1,2 2,5- 3,0	2,0- 4,0 4,0- 8,0 3,0-5,0 5,5- 10,0

При условии высокой гидравлической проводимости фильтрационного канала Кф/lк >1 и неограниченном питании водой применение способа ВГФДО позволяет увеличить глубину оттаивания за сезон в 3…4 раза по сравнению с естественной оттайкой и в 1,5…2 раза эффективнее фильтрационно-дренажного способа (см. табл. 5).

Таким образом, проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволяют сформулировать третье научное положение:

Использование сол­нечной энер­гии, аккумулированной в воде-теплоносителе, поступающей вглубь мерзлого массива по искусственно созданным зонам фильтрации: фильт­раци­онным каналам, образованным в мерзлом массиве на глубине элек­трогид­роразрывом пласта или камуфлет­ным взрыва­нием ли­ней­ного ряда сква­жин­ных зарядов ВВ, и бороздо­вым оросителям, созданным на днев­ной поверхности меха­ниче­ским рых­лением горных пород, ускоряет процесс оттаивания мерзлых дражных полигонов со сложными горно-геологическими условиями.

Технология создания противофильтрационных завес и экранов в гидротехнических сооружениях наиболее полно освещена в трудах проф. , , .

Они установили, что проти­вофильтрационные экраны, выполненные из полимерных пленок, и проти­во­фильтрационные завесы – из химического реагента Na-КМЦ являются эффективной противофильтрационной защитой плотин и дамб. Нами продолжены исследования в этом направлении с использованием новых технических решений. Изучены свойства новых противофильтрационных материалов и выполнены лабораторные исследования на физической модели плотины с противофильтрационной защитой масштаба 1:50 в лаборатории кафедры открытых горных работ ЧитГУ.

Практический интерес представляет комбинированная противофильт­рационная защита гидротехнических сооружений (ГТС), включающая соз­дание противофильтрационной химической завесы (порошок или растворы Nа-КМЦ) и противофильтрационного экрана, выполненного из геотекстиль­но­го материала или водонепроницаемых пород (аргиллитов, алевролитов).

В работе выполнены исследования эффективности применения про­ти­вофильтрационных устройств (ПФУ). Защита ГТС производи­лась с при­менением противофильтрацион­ных завес (ПФЗ) из горных пород, обра­бо­танных порошком Nа-КМЦ, а также раство­рами химических реаген­тов Na-КМЦ и FeCl3 при раздельной, од­но­временной, последовательной и попере­менной обработке. При этом опреде­лялась зависи­мость фильтра­ци­онного расхода от длины понура, глуби­ны зуба, удельного расхода Na-КМЦ.

Реагент наносили на мокрый откос плотины и приплотин­ную часть перед затоплением в виде водного раствора концентрацией 0,1; 0,25; 0,5; 0,75; 1,0 % и путем поверхност­ной обработки пород порошком Nа-КМЦ.

Опыты позволили установить зависимость коэффициента фильтрации от концен­трации реагентов, сред­него диаметра частиц грунта и времени фильтрации. При обработ­ке горных пород раствором Nа-КМЦ их водо­про­ницаемость снижа­ется в 3…10 раз и более. Наибольший эффект снижения водопроницаемости грунта, обрабо­танного раствором Na-КМЦ, наблюда­ется при концентра­ции 0,5…1,0 % и максимальном диаметре частиц 1,5… 2,0 мм при удель­ном расходе 1,5…2,0 мл/см2 и стабилизации процесса кольматации в течение 5…15 суток. Использование порошка Na-КМЦ дает более значи­тельный эффект кольма­тации – в 3…5 раз выше, чем при обработке пород растворами Nа-КМЦ с одинаковым расходом реагента.

Полученные ре­зультаты подтвер­ждаются исследованиями, выполнен­ными в Иргиред­мете и ЧитГУ: д. т.н., проф. – 1969 г., д. т.н., проф. – 1976 г., д. т.н., проф. – 1984 г. (рис. 10).

Рис. 10. Влияние способа создания противофильтрационной защиты ГТС на эффективность химической кольматации (Кп=47,7 м/сут):

1 – раствор Nа-КМЦ (); 2 – Fe(NO3)3+Nа-КМЦ (); 3 – ПЭИ+Nа-КМЦ (по а. с..№1 , ); 4 – Nа-КМЦ+FeCl3 (по а. с.№ ­кин, и др.); 5 – порошок Nа-КМЦ (); 6 – комби­ни­рован­ная защита ГТС: экран (геотекстильный материал) + завеса (Nа-КМЦ+FeCl3) – (по патенту РФ № 2 )

Попеременная обработка пород растворами FeCl3 и Nа-КМЦ при соотношении реагентов 1:1 и их концентрации 1…2 % при удельном расходе 5…10 л/м2 уменьшает водопроницаемость пород в десятки раз за счет образования более мощного противофильтрационного слоя за­щиты, что позволяет повысить эффект кольматации и снизить расходы Nа-КМЦ в 1,5…2,0 раза (см. рис.10, кривая 4).

С увеличением водо­проницаемости пород, если исходный коэф­фици­ент фильтрации пород плотины выше 40...50 м/сут, эффективность химиче­ской коль­ма­тации горных пород сни­жа­ется. Применение комбинированной противофильтра­ционной защиты ГТС (рис. 11) с использованием геотек­стиль­ных материалов (2) в совокупности с химиче­скими реагентами: поро­шок Nа-КМЦ (3) и растворов Nа-КМЦ, FeCl3 (5) позволяет исключить этот недостаток и уменьшить исход­ный коэффициент фильтрации горных пород в десятки раз, снизить отно­си­тельную водо­проницаемость в 15…20 раз и расход растворов до 0,1 кг/м2 (см. рис. 10, кривая 6).

Выполненные исследования подтверждаются опытно-промышлен­ны­ми испытаниями и внедрением способа создания ПФЗ с использованием попеременного режима обра­ботки пород (а. с. № МКП Е 02 В 3/16, С 09 К 17/00) на дражных полигонах Забайкалья (драга № 000, 165, 166).

Рис.11. Комбинированная противофильтрационная защита плотины:

1 – водоподпорная плотина; 2 – противофильтрационный экран; 3 – порошок Nа-КМЦ; 4 – мокрый откос плотины; 5 – противофильтрационная завеса; 6 – вода; 7 – водо­непро­ницаемые подстилающие породы

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования позволяют обосновать четвертое научное положение:

Комбинированная противофильтрационная защита гидро­техни­че­ских сооружений, вклю­чаю­щая технологию создания противофильт­рацион­ной завесы путем попеременной обработки пород растворами на­трийкар­бок­си­метилцеллюлозы (Nа-КМЦ) и треххлори­стого железа (FeCl3), в ком­плек­се с противофильтрационным эк­раном, выполнен­ным из геотек­стильного мате­риала, обеспечивает надежность предо­хра­нения пород от промерзания затопле­нием за счет снижения водо­про­ницаемости пород в 15-20 раз.

Решению проблем водоподготовки, оборотного водоснабжения, спо­собов очистки сточных и оборотных вод посвящены труды известных ученых , , , и др.

В комплексе горно-подготовительных работ при открытой разработ­ке россыпей оборотное водоснабжение, очи­стка сточных и оборотных вод ока­зывают значительное влияние на технико-экономические по­казатели ра­боты драги и промприбора. Анализ рабочих проектов дражной и гидро­ме­ха­низированной разработки россыпных месторождений, а также данные практики ведения открытых горных работ показывают, что степень осветле­ния технологической воды от взвешенных веществ, нефтепродуктов и ионов тяжелых металлов не соответствуют требованиям природоохран­ного законодательства. Поэтому нами выполнены аналитические и лабора­торные исследования, промышленные испытания и внедрение спо­соба доочи­стки сточ­ных и обо­ротных вод на дражных и гидроме­ха­низи­рованных раз­ра­ботках золотонос­ных россыпей, основанного на физико-ме­ха­нической очи­стке их от загряз­нений с помощью фильтров, включающих геотекстиль­ные нетка­ные материа­лы, цеоли­ты и их комбинацию.

Пригодность и эффективность применения геотек­стиль­ных мате­риа­лов и цеолита определяется их физико-техниче­скими свойст­вами – водо­про­ницаемостью по отношению к дисперсион­ной среде и задержи­ваю­щей способностью по отношению к дисперсной фазе.

Геотекстильные материалы на основе синтетических материалов – полиамида, полиэфиров и полипропилена имеют высокую прочность на растяжение – от 70 до 600 н/см2 и высо­кий коэффициент фильтрации – от 40 до 50 м/сут, незначительный удельный вес и толщину. По структуре порового пространства они относятся к гетеропористым. Пористость опре­деляет их водопроница­емость и способ­ность задерживать загрязняю­щие вещества при филь­тровании растворов.

Лабораторные и аналитические исследования доочистки загрязнен­ной воды от взвешенных частиц и примесей проводились на установках, созданных на кафедре ОГР ЧитГУ, конструкция которых позволяет проводить исследования в условиях продольного и поперечного фильтрования, при трех режимах работы фильтра – напорном, безнапорном и капиллярно-сифон­ном, с использованием трех типов фильтровальных геотекстильных материалов – Дорнит, Нетканый, поролон и цеолита.

Промышленные испытания очистки и доочистки загрязненной воды от взвешенных веществ и примесей проводились в условиях старательской артели «Саяны» на россыпи р. Спорный. В процессе опытов определялся удельный расход воды, профильтрованной через геотекстильные и цеолитовые фильтры, и их задерживающая способность (рис. 12).

Рис. 12. Способ доочистки сточных и

оборотных вод:

А – узел водозаборного патрубка; 1 – отстойник загрязненных сточных вод; 2 – ограждающая дамба; 3 – верховой откос дамбы; 4 – низовой откос дамбы; 5 – водосбросная труба; 6 – съемный конусный водозаборный патрубок; 7 – сферическое основание водозаборного патрубка; 8 – съемный сливной патрубок; 9 – геотекстильный фильтровальный материал; 10 – генератор ультразвуковых колебаний; 11 – излучатели ультразвуковых колебаний; 12 – коаксиальный электрический кабель

Водопроницаемость фильтров определялась с учетом среднеарифметического значения количества профильтрованной воды (V, л) за время ее фильтрования (t, с) через площадь поперечного сечения фильтра (S, м2) по формуле

(18)

где Кф – водопроницаемость, л/(м2.с); V1, V2, ...Vn – объ-

ем воды, профильтрованной через фильтр в каждом отдельном опыте, л; n – число опытов.

Лабораторными исследованиями установлено, что степень очистки загрязненной воды зависит от режима фильтрации, типа геотекстильного материала и дисперсности твердых фракций в исходной воде.

Максимальный эффект доочистки воды происходит при продольном фильтровании через Дорнит в капиллярно-сифонном режиме фильтрации (рис. 13).

а) б)

Рис. 13. Зависимость степени очистки воды от дисперсности твердых фракций в исходной воде, типа фильтрования и материала:

фильтрование: а) – поперечное; б) – продольное; 1 – поролон; 2 – Нетканый; 3 – Дорнит

По степени задерживающей способности твердых частиц Дорнит в 2…3 раза превосходит Нетканый геотекстильный материал и 7…8 раз поролон. При капиллярном подъеме (Нпод > 0,04 м) для фракций (d > 70 мкм) обеспечивается снижение содержания взвешенных веществ в фильтрате в тысячи раз, для фракций (d > 40 мкм) – в сотни раз, для фракций (d < 40 мкм) – в десятки раз. Расход воды через геотекстильный фильтр уменьшается при увеличении высоты капиллярного подъема воды, однако степень очистки ее при этом пропорционально возрастает.

Отмечено, что значительное количество загрязняющих веществ проникает через поры фильтроткани в фильтрат в начальный период процесса очистки загрязненной воды, поэтому мутность фильтрата также возрастает в начальный момент, а затем равномерно снижается и стабилизируется на одном уровне. При дальнейшем фильтровании загрязненной воды наблюдается постепенная закупорка пор фильтроткани и ее уплотнение. За счет этого происходит нелинейное снижение расхода воды через геотекстильный фильтр, которое зависит от времени фильтрования, дисперсности и концентрации загрязняющих веществ в исходной воде.

При использовании в качестве фильтровального материала цеолитсодержащих туфов Шивыртуйского и Балейского месторождений с диаметром зерен цеолита более 50 мкм и расходом 1…4 кг/(м2 филь­трующей поверхности) удельный расход воды через цеолитовый фильтр составил (0,7…3,0).10-3 м3/(с. м2), а скорость фильтрации изменялась от 10 до 40 м/сут (рис. 14).

Чем выше концентрация взвешенных веществ и примесей, тем интенсивнее происходит снижение удельного расхода воды. Через 10…12 суток наблюдается стабилизация расхода воды на уровне 3…5 м3/(ч. м2).

Рис. 14. Изменение удельного расхода воды при безнапорном режиме фильтрации через труб­чатый фильтр:

1 – геотекстильный фильтр; 2 – цеолитовый фильтр

Эффект очистки воды возрастает в 2…2,3 раза при поперечном фильтовании через геотекстильный материал и одновременном использовании порошка цеолита в восходящем потоке фильтрата.

Степень очистки возрастает с уменьшением диаметра зерен цеолита. При использовании цеолита с размерами диаметра зерен от 50 до 150 мкм и удельном расходе цеолита 1…4 кг/(м2 фильтрующей поверхности) степень очистки воды в 2 раза выше, чем при фракции более 150 мкм. При малых концентрациях загрязнений (С = 5…50 мг/л) достаточно создать слой цеолита 5…8 мм с расходом 0,5…2,0 кг на 1 м2 площади поперечного сечения фильтра, при высоких концентрациях ВВ (С = 500…5000 мг/л) необходим слой цеолита мощностью более 50 мм и его расход возрастает до 1…4 кг/м2.